ProE_模流分析教程5

第五章 材料性质与塑件设计

5-1 材料性质与塑件设计

塑料材料的多样性使得塑料射出成形比金属成形更具有设计的自由度。然而，塑件的机械性质受到负荷种类、负荷速率、施加负荷期间长短、施加负荷的频率、以及使用环境温度变化与湿度变化等因素的影响，所以设计者必须将这些使用条件列入考虑。

5-1-1 应力--应变行为

材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、负荷、拘束条件、成形制程导致的残留应力和配向性。根据施加在塑件的负荷或拘束条件的不同，必须考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩强度、扭曲强度、挠曲强度和剪变强度等。

设计塑件时，应该根据塑件承受的主要负荷来决定材料相关的强度。将其使用环境温度及应变率下的主要负荷所相关的应力应变行为列为重要考虑。然而，由于拉伸试验以外的其它测试程序先天上都有准确性的问题，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸试验(tensile test)结果。读者如果有其它负荷状态的应用，应参阅相关的文献数据。

图5-1说明拉伸试验棒和预设固定负荷下的变形量，其中，应力(σ)与应变(ε)的定义为：

图5-1 (a) 拉伸实验棒截面面积A，原始长度L0；(b) 于固定负荷下拉长至长度L。

图 5-2热塑性塑料的应力—应变曲线，可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、降伏点、延展性、破坏强度和破坏之伸长量等材料性质。

應力( )  應變() 

負荷力量(F)截面面積(A)

LL0

L0

图5-2 典型热塑性塑料的应力—应变曲线图

杨氏模数是应力—应变曲线起始直线部份的斜率。定义为：

杨氏模数经常被用作材料强度指标。杨氏模数实际上是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度(stiffness)。

比例极限是图 5-3上的 P 点，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图 5-3的 I 点，它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加，则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者可能发生破坏，如图 5-2所示。

楊氏模數(E) 

應力()應變()

图 5-3 局部之应力—应变曲线，其中，P点是比例极限， 经常用作设计上的应变限度。I 点是弹性极限。

图 5-4显示相同基底树脂材料的两种热塑性复合物之应力—应变曲线，其中一者添加了30%玻纤，另一者无填充料。玻纤填充料使得塑料的破坏强度、降伏应力、比例极限应力及杨氏模数都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破坏。无填充料的热塑性塑料在降伏点以上产生拉伸现象，使应力减小。拉伸造成剖面面积的缩小量可以根据蒲松比计算。

负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为有很大的影响。图 5-5是半结晶塑料受负荷速度及温度影响时之拉伸实验应力—应变曲线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。从图 5-5可以观察到，高负荷速率使得材料的破坏应力和降伏应力大幅提高。然而，提高温度会使得破坏应力和降伏应力降低。

图5-4 添加30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线

图5-5 负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响

加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度（Tg），则负荷速度、温度等相关的效应更加明显，结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不定形塑料通过软化区后呈现黏性流。

5-1-2 潜变与应力松弛

设计承受长期负荷的塑件时，应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小，只要持续地施加一定量负荷在塑料材料上，塑料材料就会连续地变形，这种长期间、永久性的变形称为潜变(creep)，如图5-6所示。

图5-6 典型的潜变曲线，其潜变量根据负荷及时间而变化。

要设计承受长期负荷的塑件，必须使用潜变量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜变量据，但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计塑件进行长期间的试验并不可行，而且塑件将来使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的预测，所以，往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常，工程师使用树脂供货商提供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据，再进行内插和外插，以获得同一时间之应力—应变非线性曲线，如图 5-7。这些曲线将取代短期的应力—应变曲线，应用于长期静负荷之塑性设计。

图5-7 在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。

潜变模数(creep modulus, Ec)可以应用于固定应力或应力松弛计算。潜变模数与时

间、温度有关系，它与固定应力(σ)以及随时间、温度变化的应变ε(t, T)之间的关系式定义如下：

其它与潜变有关连的因素包括：

˙随着温度的上升，潜度速率与应力松弛速率都会上升。

˙只要施加负荷的时间够久，就可能发生破坏，此称为应力破裂(stress crack)。 ˙内压力（残留应力）应该与外应力一并考虑。

应力松弛是潜变的一种推论现象。假如变形量固定，则抵抗变形的应力会随着时间而递减。塑料材料发生潜变的物理机构也可以应用于应力松弛。图 5-7说明在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。

5-1-3 疲劳

当设计的塑件承受周期性的负载时，就应考虑疲劳效应(fatigue)。承受周期性负荷之塑料应该使用比例极限进行设计。假如施加时间间距短，而且为长期的反复性负荷，应该使用S-N曲线进行设计。

S-N曲线是在固定频率、固定温度和固定负荷条件下，施加弯矩、扭力和拉伸应力于材料，测试而得。随着反复性负荷的频率数目增加，造成塑件因疲劳而破坏所须的应力会降低。许多材料存在一特定的应力忍受限度，在应力低于忍受限度时，材料不会因反复性负荷造成疲劳而破坏，参阅图 5-8。

即使只施加很小的应力，根据施加应力的大小，材料承受反复性负荷时，可能在周期结束后无法恢复原状。当施加负荷与解除负荷的频率增加，或是施加负荷与无负荷的间隔时间缩短，塑件表面可能应为疲劳而产生微小裂缝或其它瑕疵，造成韧性降低。

潛變模數(Ec) 

(t,T)

图5-8 典型的挠曲疲劳S-N曲线具有一个应力忍耐限度，

在此限度以下的应力不会造成破坏。

5-1-4 冲击强度

因为塑料具有黏弹性，其性质与使用时间、负荷速率、负荷频率、施加负荷期间长短、使用温度都有密切的关系。塑料的冲击强度（或韧性）表示其抵抗脉冲负荷的能力。图 5-5显示塑料材料的冲击强度随着负荷速率的增加而增大。塑料材料承受高速的负荷时，会表现出脆性而没有拉伸的倾向。低温时，塑料应亦呈现脆性。

塑料材料承受冲击时，对于凹痕很敏感。尖锐的转角半径会造成应力集中，也会降低其冲击强度，如图 5-9所示。

图5-9 塑料应力集中是其厚度与圆角半径的函数

5-1-5 热机械行为

热膨胀系数是温度从一特定值上升时，材料尺寸变化的量度。塑料的热膨胀系比金属大5~10倍。温度变化对于塑件的尺寸和机械性质会造成可观的影响，所以设计塑件时必须考虑到使用塑件的最高温度和最低温度。假如使用于大温度范围大的塑件与金属件紧密结合，强度较差的塑件会因热膨胀或收缩而破坏。根据塑件强度及上升温度情况，此破坏可能立刻发生或延后发生，所以设计塑件与金属组件组合时，必须将其尺寸变化的安全裕度列入考虑。

使用于室温以上的塑件应考虑下列因素：



塑件尺寸增长的倾向正比于其长度、温度上升量、及热膨胀系数。 当塑件温度从室温上升时，其强度及杨氏模数会降低，如图 5-5所示。 低模数材料可能会呈现橡胶般的拉伸现象。

分子链的配向性和添加纤维的配向性会造成塑件尺寸不等向的变化，其在流动方向比截面方向具有更大的热膨胀系数。

当塑件长期存在于高温，应考虑：

存放时承受内应力或外应力的塑件，应考虑潜变和应力松弛。 塑件因分子裂解而变脆。 有些复合物会释放成分。

塑件长期存放于低温时，应考虑因素：

塑件尺寸缩减正比于其长度、温度下降量、及热膨胀(热收缩)系数。 模数上升。 塑件变脆。

5-2 塑件强度设计

设计塑件时，其破坏性质控制的成功与否，往往取决于对于塑件强度（或劲度）的准确预测。根据塑件承受负荷或拘束条件的不同，可以区分为拉伸强度、压缩强度、扭曲强度，挠曲强度和剪切强度。塑件的强度与材料、几何形状、拘束条件、成形的残留应力和配向性有关。表 5-1列出五种典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质。

表5-1 典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质

5-2-1 短期负荷

短期负荷是指塑件于搬运、组合、和使用时，偶而施加的负荷，其设计应采用应力-应变图的比例极限值。使用肋或角板等强化结构，可以改善塑件的强度。应考虑使用宽幅的肋，以提升结构强度；增加肋的高度或减小肋的间距也会改善结构强度。另外，在需要的方向添加强化玻璃纤维也可以改善结构强度。

5-2-2 长期负荷

长期负荷指在比例极限以内，塑件长时间承受高外力负荷，以及塑件在成形和组合制程中造成的高内应力或残留应力。其于设计上应考虑：

使用潜变模数，以避免应力破裂破坏，维持接点紧密结合和塑件功能。 设计压合连接或搭扣连接之组合，以减少组装造成的应力。 使用固定组件(fasteners)以减低应力，强化结构。

设计塑件与塑件接合时，使用几何特征或保留安全裕度，以防止塑件因 组合而过度紧密配合。

5-2-3 反复性负荷

当塑件承受反复性负荷，应考虑在其寿命内预计承受负荷的次数，下列数字提供典型反复性负荷的范例。

负 荷 种 类 负 荷 次 数 反复组合和拆解 少于 1,000 次 齿轮之各齿承受反复性负荷 大于 10,000 次 弹簧组件 大于 10,000 次

塑件承受反复性负荷时，应考虑下列建议：

长间距之周期性负荷可以采用比例极限进行设计。

塑件承受短间距和长期间的反复性负荷，应使用S-N曲线进行设计。 高度抛光的光滑模面可以降低产生微小裂缝的倾向。

注意圆角的设计以避免应力集中。

塑件承受高频或高振幅的周期性负荷时，会生热而缩短寿命。改用薄壁

设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑件的散热功能。

5-2-4 高速负荷及冲击负荷

高速负荷指施加负荷的速度高于1 m/s，冲击性负荷指负荷速度高于 50 m/s。应避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷。当设计之塑件承受此类负荷时必须牢记以下建议：

在预期的负荷速率之内，使用比例极限进行设计之计算。

使用较大的圆角半径及较和缓的肉厚／宽度变化，以避免应力集中。 长时间处于高熔融温度的树脂会裂解变脆。要使高温对于熔胶的影响最

小化，就必须选用适当熔点的塑料和适当的射出料筒来进行射出成形。

5-2-5 极端温度施加负荷

塑件之储存、搬运和使用温度很容易就高出或低于室温20~30℃，应用于极端温度的塑件必须能适应环境。设计塑件将应用于极端温度条件，建议注意事项如下：

应用比例极限进行计算，以避免塑件永久变形。

避免将不同热膨胀系数之材料设计为紧迫组合，而且应该在自由端面保

常见的高于室温之极端温度条件的应用包括：热液体的容器、热水管线组件、含有加热组件之装置、直接曝于日光之下的搬运工具、储存在无空调建筑之塑件。常见的于低于室温的应用包括：冷冻之塑件和以飞机运载之塑件

5-3 塑件肉厚

设计塑件所需考虑的因素众多，包括功能与尺寸的需求、组合之公差、艺术感与美观、制造成本、环境的冲击、以及成品运送等等。在此，我们将考虑塑件肉厚对于成形周期时间、收缩与翘曲、表面品质等因素的影响，以讨论热塑性塑料射出

留允许塑件膨胀之裕度。

成形之加工性。

塑件于射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。肉厚较厚的塑件需要较长的冷却时间和较长的保压时间。理论上，塑件射出之冷却时间与肉厚的平方成正比，或者与圆形对象直径的1.6次方成正比。所以粗厚件会延长成形周期时间，降低单位时间所射出塑件的数量，增加每个塑件的制造成本。

另外，塑料射出成形先天上就会发生收缩，然而，剖面或整个组件的过量收缩或不均匀收缩就会造成翘曲，以致于成形品无法依照设计形状呈现。请参阅图5-10。

图5-10 (左边)粗厚件会导致(中间)塑件的收缩和翘曲， 应该将塑件设计为具有均匀肉厚的(左边)塑件。

塑件同时具有薄肉区和厚肉区时，充填熔胶倾向于往厚截面部分流动，容易产生竞流效应(race-tracking effect)，导致包风(air traps)和缝合线(weld lines)，在塑件表面产生瑕疵。假如厚肉区没有充足的保压，就会造成凹痕(sink marks)或气孔(voids)，所以应该尽可能设计薄且肉厚均匀的塑件，以缩短成形周期时间，改善塑件尺寸稳定性，和去除塑件之表面瑕疪，塑件肉厚设计通则是：使用肋可以提高塑件的刚性和强度，并且避免厚肉区的结构。塑件尺寸的设计，应将使用塑料之材料性质和负荷类型、使用条件之间的关系列入考虑，也应考虑组件的组合需求。图 5-11 提供一些设计范例的比较。

(not recommended)

(recommended)

图5-11 塑件之设计范例。左边为不良设计，右边是典型的塑件设计。

5-4 肋之设计

塑件设计之结构完整性的主要考量是：塑件结构强度必须足以抵抗预期负荷。如果藉由增加肉厚以强化结构，有下列的缺点：

塑件重量及成本相对地增加。 加长塑件所需的冷却时间。 增加产生凹痕与气孔的机会。

肋(ribs)是达成所需刚性和强度，并且避免粗厚剖面的有效方法。设计良好的肋，仅仅增加低百分比的重量，就足以提供必要的结构强度。假如还需要更高的刚性，可以缩小肋的间距，以便添加更多的肋。肋的典型用途包括：

盖子、箱子、及需要有良好外观和重量轻的宽大表面。 必须有圆柱形表面之走纸用滚轮和导轨。 齿轮的轴和齿廓。 塑件的支撑与构架。

肋的厚度、高度和开模斜角是相互关连的。太粗厚的肋会在塑件的另一面造成凹痕；太薄的肋和太大的开模斜角会造成肋的尖端充填困难。肋之各边应有 1°的开模斜角，最小不得低于 1/2°，而且应该将肋两侧之模面精密抛光。开模斜角使得从肋顶部到根部增加肉厚，每一度开模斜角会使一公分高肋的根部增加0.175公厘肉厚。建议根部的最大厚度为塑件肉厚的0.8倍，通常取肉厚的0.5~0.8倍，如图5-12所示。

图5-12 设计肋之截面规范

将肋设计在开模方向，可以降低模具的加工成本。使用角板(gussets)也可以强化肋的结构，如图5-12所示。使用凸毂(bosses)时，不应该凸毂将连接到平行之塑件壁面，必须和壁面维持一段间距。凸毂也可以使用角板强化结构。

如图5-13所示，肋可以设计成波浪状(corrugations)以维持均匀壁厚，并且将开模斜角加工到两侧的模具，这种作法可以避免肋的顶面太过薄。就结构的刚性而言，相互连接的蜂巢式六面矩阵结构，如图 5-14，比正方形结构更具有材料的使用效率，加设蜂巢状的肋是防止平坦表面弯曲的好方法。

图5-13 波浪形强化结构 图5-14 平坦表面加设蜂巢状的肋

5-5 组合之设计

使用塑料成形的一项重要优点是可能将先前的好几个组件连接成为单一组件，这包括许多功能性组件和固定组件。然而，在现实的考量上，为了成形与模具的限制、功能需求、及经济考量，仍有些塑件会制作成分离的组件，再予组合。

由于塑件从熔胶状态冷却到固态会发生大量收缩，使得成形塑件不像冲孔和机械加工组件般可以制作成精密配合。况且大多数的情况，熔胶之凝固不具有等向性，所以塑件无法以单一的收缩率去估计其最终尺寸，互相组合的塑件也必须仔细设计各配合组件之公差。塑件与塑件间的配合应注意：

两种相同材质塑件之间的配合，可以参考塑料供货商提供的公差值。 两种不同材质塑件之间，或者从不同供货商获得的材料，可以将供货商

提供之公差值再增加 0.001mm/mm。

假如流动方向具有强烈的配向性，必须对等向收缩之外再增加0.001 mm/mm到整个组件的公差。 将两个塑件之接合面设计成台阶式，作为相接的唇板与沟槽，以提供元

件间对齐机制，并减低大尺寸组件的公差问题，如图5-15。

图5-15 使用唇板与沟槽提供良好的配合

塑件与金属件之间的配合，应确定在塑件与金属件之接合处保留有足够的膨胀裕度给塑件，如图 5-16。

图5-16 塑件与金属组件之组合，应在塑件的端面预留较大的膨胀裕度。

5-5-1 压入配合连接

简易的干涉配合(interference fits)可以用连接组件，将金属轴心与塑料毂压入配合连接(press-fit Joints)是最常使用的方法。从塑料供货商提供的设计图表或干涉计算公式可以用来设计压入配合连结的组件尺寸，获得必要的压合应力，而不致因为过量的应力造成裂缝，或是过低的应力而造成松脱。

图 5-17画出最大干涉极限图。此干涉图将根据不同材料而异，其最大干涉极限是根据毂与插入轴的直径比和材料而定。建议的最小干涉插入深度为插入轴直径的 2倍。

如果相关的设计图表并不存在，则可以针对插入轴直径 d与毂内径d1计算允许的干涉值。

图5-17 金属轴件压入塑料毂的最大干涉极限。此干涉图依照材料而异，其为最大

干涉百分比[(d-d1)/d×100%]相对于轴径比（D/d）。

SddWh

l  EWh

1s



Es

， 

W 

d1

Dd1

D

2

2

其中，

l = 径向干涉，d-d1，单位 mm。 Sd = 设计应力，单位 MPa。 D = 毂外缘直径，单位 mm。 d = 插入轴直径，单位 mm。

Eh = 毂之拉伸弹性模数，单位 MPa。 Es = 插入轴弹性模数，单位 MPa。 υh = 毂材料之浦松比。 υs = 插入轴材料之浦松比。

W = 几何因子。

设计压入配合连接，应检查于配合当中和配合后所累积的公差是否会造成过量的应力，而组合后的配合公差是否适当。此外，在金属轴与塑料毂之间不应该设计锥度之配合件，否则会造成过量的应力。

5-5-2 搭扣配合连接

搭扣配合连接(snap-fit Joints)由倒勾(undercut)结构取代干涉，应用塑料材料在比例极限内的变形能力进行连接，并且在完成组合后立即回复原始的形状。完成搭扣配合连接时，搭扣两边的配合件都不承受应力，而连接过程中的最大应力也不超过比例极限；完成连接之后，组件承受的负荷亦须在材料限度以内。

搭扣配合连接的设计包括：圆形搭扣、悬臂搭扣和扭曲式搭扣。

(1) 圆形搭扣连接

圆形搭扣连接(annular snap-fit joints)如图 5-18，根据插入轴直径和回复角的选定，圆形搭扣可以设计成可分离式、难分离式或不可分离式。

图5-18 典型的圆形搭扣配合连接。组装力 W与导角α、倒勾量 y有密切的关系。

塑料毂直径 d，肉厚 t。

图5-19假设刚性轴（通常是金属）插入或退出塑料毂，并将之撑开，此插入或退出的极限应力值σ不得超过塑料材料的比例极限，而且造成轴的变形量不得超过轴的允许变形量(或倒勾的允许变形量 y)。

图5-19 搭扣组合时的应力分布

最大之允许变形量决定于最大之允许应变ε

pm和毂径d。以下计算公式假设配合

件之一者是刚体，假如两个配合件有相同的挠性，则应变将减半，而倒勾可以两倍大。

y = εpm ×

d

假如模心形成干涉环(interference ring)，则倒勾必须具有平滑的半径和低浅的导角（lead angle），使退出时不会破损干涉环。于退出时，作用在干涉环的应力必须维持在材料的比例极限之内。

(2) 悬臂搭扣连接

悬臂搭扣连接(cantilever snap joints)是使用最广泛的搭扣连接方式。通常，将它插进孔内或闩板时，勾子会挠曲；当勾子通过孔缘后就回复原始形状。从悬臂顶端到根部应设计成锥度，使得作用应力能够均匀分布。组合应力不应超过材料的比例极限

悬臂搭扣的宽度或厚度都可以设计成斜度，如图5-18。假如将其厚度从根部线性地缩减，则勾顶厚度可以是根部厚度的一半。另外在根部勾侧加工靠破孔，可以简化模具的加工和动作，如图5-19所示。塑件与搭扣结合的根部应加工圆角以防止应力集中。

图5-18 典型之悬臂搭扣连接。勾子与孔缘之干涉量 y 代表其

于组装时应产生的挠曲量。

图5-19 悬臂搭扣之特征

(3) 扭曲搭扣连接

扭曲搭扣连接 (torsion snap-fit joints)在支点处承受一剪应力，它适合应用在经常组装和分解的组件。其总共的扭曲角与挠曲值或的关系为：

sin 

y1l1



y2l2

其中

φ = 扭转角度； y1, y2 = 挠曲量；

l1, l2 = 臂长(参阅图5-20)。

pm受限于允许的剪应变γpm，

允许的最大扭曲角φ 其中

φ

pm=



 pm

180





pm



lr

允许的最大扭曲角ψpm(度)；

γpm= 允许的剪应变；

l = 扭转臂长度；

r = 扭转轴半径。

pm大约等于：

塑料的允许最大剪应变γ

γγ

pm pm

= ( + υ)ε= 1.35ε

pm

pm

其中

γ

pm

= 允许之剪应变；

εpm = 允许之应变；

υ = 浦松比(塑料大约为0.35)。

5-5-3 固定组件

传统上使用的固定组件(fasteners)包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉，它们也可以应用于塑件，其应用上考虑的重点如下列：

过于紧迫的螺丝钉或铆钉可能导致应力。

螺丝钉之螺纹可以预先加工，或是上螺丝钉时再产生。

螺丝钉螺纹与头部之毛边、铆钉毛边等都可能造成应力，导致塑件提早

破坏。

(1) 螺丝钉和铆钉

塑件之模数低于200,000 psi时，可以使用成形螺纹螺丝钉(thread-forming screws)；模数高于200,000 psi时，则应使用切削螺纹螺丝钉，否则可能造成应力破裂。塑件上有需要多次上紧再卸下的螺丝钉，必须防止对塑件切出新螺纹，宜采用单螺纹的金属螺丝钉。螺帽必须再塑件表面以下时，可以使用埋头孔配合螺丝钉，使用平头螺丝钉(pan-head screws)可以加垫圈，螺丝钉和铆钉的垫圈在接触塑件面不可以有毛边或冲痕，否则会减低塑件寿命。必须永久固定的塑件应该采用铆钉。 图 5-20是不同尺寸的螺丝钉之建议孔径。

图5-20 塑件与螺丝钉组合之建议孔洞尺寸，此类应用应尽量采用平头螺丝钉。 埋头(countersunk screw head)和pipe thread螺丝钉容易上太紧而使塑件产生裂缝，应该避免使用。

(2) 一体成形螺纹

塑件之一体成形螺纹(molded threads)可以避免使用螺丝钉和铆钉等额外固定组件。一体成形螺纹的根部应该加设无螺纹之导距(lead-in diameter)，其比外径略大，大约一牙高度，可以增加强度。图5-21显示无螺纹导距的设计。一体成形螺纹设计导引如下：一体成形螺纹必须具有足够强度以承受负荷。太小的螺纹，特别是与金属螺丝钉配合的螺纹，容易变形而失去抓力。螺纹的设计应该避免尖锐的内径，甚至在螺纹顶端设计成圆形，以方便加工。假如成形螺纹的轴与分模线平行，可以将之分设在公、母两模成形，而为了避免因模具相错而产生明显的分模线，可以将一小部分螺纹车平。假如螺纹的轴不与分模线平行，就必须采用回转机构。内螺纹之射出通常需要以人工或模具动作回转模具组件。塑件之崩牙内螺纹可以在攻成更大

的内螺纹。

图5-21 一体成形螺纹的设计建议

(3) 镶埋件

镶埋件(inserts)是预先插入模穴内，于射出成形后与塑件结合成一体。镶埋件可以采用任何不会熔化的材料。金属镶埋件可以用来导电，增强塑件，提供组合用之螺纹。塑料镶埋件可以提供不同颜色或不同性质的搭配组合。采用镶埋件时，设置浇口的位置应该注意到使镶埋件两侧维持相同的融胶波前之作用力，以免造成镶埋件移位。最好设计使熔胶在镶埋件两侧有适当的流动路径，使熔胶以相同的速率前进。模具上也可以设计支撑镶埋件的结构，例如孔洞或柱桩。

通常，镶埋件会造成缝合线，设计镶埋件应该容许产生缝合线或是在镶埋件周围的凸毂之一边发生收缩应力。

5-5-4 熔接制程

超音波熔接(ultrasonic welding)使用高频声波振动，使两个塑件相对滑动，此二表面的短行程高速往复滑动使界面熔化。停止振动后，接口冷却，使得两塑件表面结合。

超音波熔接应注意到两种材料的兼容性。表面的接点设计对于熔接的成功与

否影响很大，应在一熔接面设计一小三角形的能量导引，请参阅图5-22。在接点设计成轴对称结构，于熔化后，使两种材料熔接在一起。传送能量的超音波喇叭对于熔接成败的影响很大。

图5-22 超音波熔接之小三角形的能量导引

其它的熔接方式必须使用人力，目前不太实用，仍有待研究。

第五章 材料性质与塑件设计

5-1 材料性质与塑件设计

塑料材料的多样性使得塑料射出成形比金属成形更具有设计的自由度。然而，塑件的机械性质受到负荷种类、负荷速率、施加负荷期间长短、施加负荷的频率、以及使用环境温度变化与湿度变化等因素的影响，所以设计者必须将这些使用条件列入考虑。

5-1-1 应力--应变行为

材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、负荷、拘束条件、成形制程导致的残留应力和配向性。根据施加在塑件的负荷或拘束条件的不同，必须考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩强度、扭曲强度、挠曲强度和剪变强度等。

设计塑件时，应该根据塑件承受的主要负荷来决定材料相关的强度。将其使用环境温度及应变率下的主要负荷所相关的应力应变行为列为重要考虑。然而，由于拉伸试验以外的其它测试程序先天上都有准确性的问题，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸试验(tensile test)结果。读者如果有其它负荷状态的应用，应参阅相关的文献数据。

图5-1说明拉伸试验棒和预设固定负荷下的变形量，其中，应力(σ)与应变(ε)的定义为：

图5-1 (a) 拉伸实验棒截面面积A，原始长度L0；(b) 于固定负荷下拉长至长度L。

图 5-2热塑性塑料的应力—应变曲线，可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、降伏点、延展性、破坏强度和破坏之伸长量等材料性质。

應力( )  應變() 

負荷力量(F)截面面積(A)

LL0

L0

图5-2 典型热塑性塑料的应力—应变曲线图

杨氏模数是应力—应变曲线起始直线部份的斜率。定义为：

杨氏模数经常被用作材料强度指标。杨氏模数实际上是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度(stiffness)。

比例极限是图 5-3上的 P 点，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图 5-3的 I 点，它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加，则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者可能发生破坏，如图 5-2所示。

楊氏模數(E) 

應力()應變()

图 5-3 局部之应力—应变曲线，其中，P点是比例极限， 经常用作设计上的应变限度。I 点是弹性极限。

图 5-4显示相同基底树脂材料的两种热塑性复合物之应力—应变曲线，其中一者添加了30%玻纤，另一者无填充料。玻纤填充料使得塑料的破坏强度、降伏应力、比例极限应力及杨氏模数都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破坏。无填充料的热塑性塑料在降伏点以上产生拉伸现象，使应力减小。拉伸造成剖面面积的缩小量可以根据蒲松比计算。

负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为有很大的影响。图 5-5是半结晶塑料受负荷速度及温度影响时之拉伸实验应力—应变曲线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。从图 5-5可以观察到，高负荷速率使得材料的破坏应力和降伏应力大幅提高。然而，提高温度会使得破坏应力和降伏应力降低。

图5-4 添加30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线

图5-5 负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响

加热半结晶性塑料使之通过玻璃转移温度（Tg），则负荷速度、温度等相关的效应更加明显，结果导致塑料产生全然不同的运动行为。不定形塑料通过软化区后呈现黏性流。

5-1-2 潜变与应力松弛

设计承受长期负荷的塑件时，应非常注意潜变效应及应力松弛。不论所施加负荷的大小，只要持续地施加一定量负荷在塑料材料上，塑料材料就会连续地变形，这种长期间、永久性的变形称为潜变(creep)，如图5-6所示。

图5-6 典型的潜变曲线，其潜变量根据负荷及时间而变化。

要设计承受长期负荷的塑件，必须使用潜变量据以确保塑件不会在寿命周期内产生破坏、产生降伏、裂缝或是过量的变形。虽然大多数塑料拥有在相当时间内、特定应力及温度条件下的潜变量据，但是每个塑件设计仍需对其特定的负荷与使用条件来调整设计值。由于要针对各别设计塑件进行长期间的试验并不可行，而且塑件将来使用期间的应力与环境条件不容易进行长期间的预测，所以，往往必须从较短的潜变试验数据执行内插和外插。通常，工程师使用树脂供货商提供的潜变数据库获得应变相对于时间之数据，再进行内插和外插，以获得同一时间之应力—应变非线性曲线，如图 5-7。这些曲线将取代短期的应力—应变曲线，应用于长期静负荷之塑性设计。

图5-7 在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。

潜变模数(creep modulus, Ec)可以应用于固定应力或应力松弛计算。潜变模数与时

间、温度有关系，它与固定应力(σ)以及随时间、温度变化的应变ε(t, T)之间的关系式定义如下：

其它与潜变有关连的因素包括：

˙随着温度的上升，潜度速率与应力松弛速率都会上升。

˙只要施加负荷的时间够久，就可能发生破坏，此称为应力破裂(stress crack)。 ˙内压力（残留应力）应该与外应力一并考虑。

应力松弛是潜变的一种推论现象。假如变形量固定，则抵抗变形的应力会随着时间而递减。塑料材料发生潜变的物理机构也可以应用于应力松弛。图 5-7说明在固定应变下，应力随着经历时间而递减的情形。

5-1-3 疲劳

当设计的塑件承受周期性的负载时，就应考虑疲劳效应(fatigue)。承受周期性负荷之塑料应该使用比例极限进行设计。假如施加时间间距短，而且为长期的反复性负荷，应该使用S-N曲线进行设计。

S-N曲线是在固定频率、固定温度和固定负荷条件下，施加弯矩、扭力和拉伸应力于材料，测试而得。随着反复性负荷的频率数目增加，造成塑件因疲劳而破坏所须的应力会降低。许多材料存在一特定的应力忍受限度，在应力低于忍受限度时，材料不会因反复性负荷造成疲劳而破坏，参阅图 5-8。

即使只施加很小的应力，根据施加应力的大小，材料承受反复性负荷时，可能在周期结束后无法恢复原状。当施加负荷与解除负荷的频率增加，或是施加负荷与无负荷的间隔时间缩短，塑件表面可能应为疲劳而产生微小裂缝或其它瑕疵，造成韧性降低。

潛變模數(Ec) 

(t,T)

图5-8 典型的挠曲疲劳S-N曲线具有一个应力忍耐限度，

在此限度以下的应力不会造成破坏。

5-1-4 冲击强度

因为塑料具有黏弹性，其性质与使用时间、负荷速率、负荷频率、施加负荷期间长短、使用温度都有密切的关系。塑料的冲击强度（或韧性）表示其抵抗脉冲负荷的能力。图 5-5显示塑料材料的冲击强度随着负荷速率的增加而增大。塑料材料承受高速的负荷时，会表现出脆性而没有拉伸的倾向。低温时，塑料应亦呈现脆性。

塑料材料承受冲击时，对于凹痕很敏感。尖锐的转角半径会造成应力集中，也会降低其冲击强度，如图 5-9所示。

图5-9 塑料应力集中是其厚度与圆角半径的函数

5-1-5 热机械行为

热膨胀系数是温度从一特定值上升时，材料尺寸变化的量度。塑料的热膨胀系比金属大5~10倍。温度变化对于塑件的尺寸和机械性质会造成可观的影响，所以设计塑件时必须考虑到使用塑件的最高温度和最低温度。假如使用于大温度范围大的塑件与金属件紧密结合，强度较差的塑件会因热膨胀或收缩而破坏。根据塑件强度及上升温度情况，此破坏可能立刻发生或延后发生，所以设计塑件与金属组件组合时，必须将其尺寸变化的安全裕度列入考虑。

使用于室温以上的塑件应考虑下列因素：



塑件尺寸增长的倾向正比于其长度、温度上升量、及热膨胀系数。 当塑件温度从室温上升时，其强度及杨氏模数会降低，如图 5-5所示。 低模数材料可能会呈现橡胶般的拉伸现象。

分子链的配向性和添加纤维的配向性会造成塑件尺寸不等向的变化，其在流动方向比截面方向具有更大的热膨胀系数。

当塑件长期存在于高温，应考虑：

存放时承受内应力或外应力的塑件，应考虑潜变和应力松弛。 塑件因分子裂解而变脆。 有些复合物会释放成分。

塑件长期存放于低温时，应考虑因素：

塑件尺寸缩减正比于其长度、温度下降量、及热膨胀(热收缩)系数。 模数上升。 塑件变脆。

5-2 塑件强度设计

设计塑件时，其破坏性质控制的成功与否，往往取决于对于塑件强度（或劲度）的准确预测。根据塑件承受负荷或拘束条件的不同，可以区分为拉伸强度、压缩强度、扭曲强度，挠曲强度和剪切强度。塑件的强度与材料、几何形状、拘束条件、成形的残留应力和配向性有关。表 5-1列出五种典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质。

表5-1 典型的负荷条件及设计者应考虑的材料性质

5-2-1 短期负荷

短期负荷是指塑件于搬运、组合、和使用时，偶而施加的负荷，其设计应采用应力-应变图的比例极限值。使用肋或角板等强化结构，可以改善塑件的强度。应考虑使用宽幅的肋，以提升结构强度；增加肋的高度或减小肋的间距也会改善结构强度。另外，在需要的方向添加强化玻璃纤维也可以改善结构强度。

5-2-2 长期负荷

长期负荷指在比例极限以内，塑件长时间承受高外力负荷，以及塑件在成形和组合制程中造成的高内应力或残留应力。其于设计上应考虑：

使用潜变模数，以避免应力破裂破坏，维持接点紧密结合和塑件功能。 设计压合连接或搭扣连接之组合，以减少组装造成的应力。 使用固定组件(fasteners)以减低应力，强化结构。

设计塑件与塑件接合时，使用几何特征或保留安全裕度，以防止塑件因 组合而过度紧密配合。

5-2-3 反复性负荷

当塑件承受反复性负荷，应考虑在其寿命内预计承受负荷的次数，下列数字提供典型反复性负荷的范例。

负 荷 种 类 负 荷 次 数 反复组合和拆解 少于 1,000 次 齿轮之各齿承受反复性负荷 大于 10,000 次 弹簧组件 大于 10,000 次

塑件承受反复性负荷时，应考虑下列建议：

长间距之周期性负荷可以采用比例极限进行设计。

塑件承受短间距和长期间的反复性负荷，应使用S-N曲线进行设计。 高度抛光的光滑模面可以降低产生微小裂缝的倾向。

注意圆角的设计以避免应力集中。

塑件承受高频或高振幅的周期性负荷时，会生热而缩短寿命。改用薄壁

设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑件的散热功能。

5-2-4 高速负荷及冲击负荷

高速负荷指施加负荷的速度高于1 m/s，冲击性负荷指负荷速度高于 50 m/s。应避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷。当设计之塑件承受此类负荷时必须牢记以下建议：

在预期的负荷速率之内，使用比例极限进行设计之计算。

使用较大的圆角半径及较和缓的肉厚／宽度变化，以避免应力集中。 长时间处于高熔融温度的树脂会裂解变脆。要使高温对于熔胶的影响最

小化，就必须选用适当熔点的塑料和适当的射出料筒来进行射出成形。

5-2-5 极端温度施加负荷

塑件之储存、搬运和使用温度很容易就高出或低于室温20~30℃，应用于极端温度的塑件必须能适应环境。设计塑件将应用于极端温度条件，建议注意事项如下：

应用比例极限进行计算，以避免塑件永久变形。

避免将不同热膨胀系数之材料设计为紧迫组合，而且应该在自由端面保

常见的高于室温之极端温度条件的应用包括：热液体的容器、热水管线组件、含有加热组件之装置、直接曝于日光之下的搬运工具、储存在无空调建筑之塑件。常见的于低于室温的应用包括：冷冻之塑件和以飞机运载之塑件

5-3 塑件肉厚

设计塑件所需考虑的因素众多，包括功能与尺寸的需求、组合之公差、艺术感与美观、制造成本、环境的冲击、以及成品运送等等。在此，我们将考虑塑件肉厚对于成形周期时间、收缩与翘曲、表面品质等因素的影响，以讨论热塑性塑料射出

留允许塑件膨胀之裕度。

成形之加工性。

塑件于射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。肉厚较厚的塑件需要较长的冷却时间和较长的保压时间。理论上，塑件射出之冷却时间与肉厚的平方成正比，或者与圆形对象直径的1.6次方成正比。所以粗厚件会延长成形周期时间，降低单位时间所射出塑件的数量，增加每个塑件的制造成本。

另外，塑料射出成形先天上就会发生收缩，然而，剖面或整个组件的过量收缩或不均匀收缩就会造成翘曲，以致于成形品无法依照设计形状呈现。请参阅图5-10。

图5-10 (左边)粗厚件会导致(中间)塑件的收缩和翘曲， 应该将塑件设计为具有均匀肉厚的(左边)塑件。

塑件同时具有薄肉区和厚肉区时，充填熔胶倾向于往厚截面部分流动，容易产生竞流效应(race-tracking effect)，导致包风(air traps)和缝合线(weld lines)，在塑件表面产生瑕疵。假如厚肉区没有充足的保压，就会造成凹痕(sink marks)或气孔(voids)，所以应该尽可能设计薄且肉厚均匀的塑件，以缩短成形周期时间，改善塑件尺寸稳定性，和去除塑件之表面瑕疪，塑件肉厚设计通则是：使用肋可以提高塑件的刚性和强度，并且避免厚肉区的结构。塑件尺寸的设计，应将使用塑料之材料性质和负荷类型、使用条件之间的关系列入考虑，也应考虑组件的组合需求。图 5-11 提供一些设计范例的比较。

(not recommended)

(recommended)

图5-11 塑件之设计范例。左边为不良设计，右边是典型的塑件设计。

5-4 肋之设计

塑件设计之结构完整性的主要考量是：塑件结构强度必须足以抵抗预期负荷。如果藉由增加肉厚以强化结构，有下列的缺点：

塑件重量及成本相对地增加。 加长塑件所需的冷却时间。 增加产生凹痕与气孔的机会。

肋(ribs)是达成所需刚性和强度，并且避免粗厚剖面的有效方法。设计良好的肋，仅仅增加低百分比的重量，就足以提供必要的结构强度。假如还需要更高的刚性，可以缩小肋的间距，以便添加更多的肋。肋的典型用途包括：

盖子、箱子、及需要有良好外观和重量轻的宽大表面。 必须有圆柱形表面之走纸用滚轮和导轨。 齿轮的轴和齿廓。 塑件的支撑与构架。

肋的厚度、高度和开模斜角是相互关连的。太粗厚的肋会在塑件的另一面造成凹痕；太薄的肋和太大的开模斜角会造成肋的尖端充填困难。肋之各边应有 1°的开模斜角，最小不得低于 1/2°，而且应该将肋两侧之模面精密抛光。开模斜角使得从肋顶部到根部增加肉厚，每一度开模斜角会使一公分高肋的根部增加0.175公厘肉厚。建议根部的最大厚度为塑件肉厚的0.8倍，通常取肉厚的0.5~0.8倍，如图5-12所示。

图5-12 设计肋之截面规范

将肋设计在开模方向，可以降低模具的加工成本。使用角板(gussets)也可以强化肋的结构，如图5-12所示。使用凸毂(bosses)时，不应该凸毂将连接到平行之塑件壁面，必须和壁面维持一段间距。凸毂也可以使用角板强化结构。

如图5-13所示，肋可以设计成波浪状(corrugations)以维持均匀壁厚，并且将开模斜角加工到两侧的模具，这种作法可以避免肋的顶面太过薄。就结构的刚性而言，相互连接的蜂巢式六面矩阵结构，如图 5-14，比正方形结构更具有材料的使用效率，加设蜂巢状的肋是防止平坦表面弯曲的好方法。

图5-13 波浪形强化结构 图5-14 平坦表面加设蜂巢状的肋

5-5 组合之设计

使用塑料成形的一项重要优点是可能将先前的好几个组件连接成为单一组件，这包括许多功能性组件和固定组件。然而，在现实的考量上，为了成形与模具的限制、功能需求、及经济考量，仍有些塑件会制作成分离的组件，再予组合。

由于塑件从熔胶状态冷却到固态会发生大量收缩，使得成形塑件不像冲孔和机械加工组件般可以制作成精密配合。况且大多数的情况，熔胶之凝固不具有等向性，所以塑件无法以单一的收缩率去估计其最终尺寸，互相组合的塑件也必须仔细设计各配合组件之公差。塑件与塑件间的配合应注意：

两种相同材质塑件之间的配合，可以参考塑料供货商提供的公差值。 两种不同材质塑件之间，或者从不同供货商获得的材料，可以将供货商

提供之公差值再增加 0.001mm/mm。

假如流动方向具有强烈的配向性，必须对等向收缩之外再增加0.001 mm/mm到整个组件的公差。 将两个塑件之接合面设计成台阶式，作为相接的唇板与沟槽，以提供元

件间对齐机制，并减低大尺寸组件的公差问题，如图5-15。

图5-15 使用唇板与沟槽提供良好的配合

塑件与金属件之间的配合，应确定在塑件与金属件之接合处保留有足够的膨胀裕度给塑件，如图 5-16。

图5-16 塑件与金属组件之组合，应在塑件的端面预留较大的膨胀裕度。

5-5-1 压入配合连接

简易的干涉配合(interference fits)可以用连接组件，将金属轴心与塑料毂压入配合连接(press-fit Joints)是最常使用的方法。从塑料供货商提供的设计图表或干涉计算公式可以用来设计压入配合连结的组件尺寸，获得必要的压合应力，而不致因为过量的应力造成裂缝，或是过低的应力而造成松脱。

图 5-17画出最大干涉极限图。此干涉图将根据不同材料而异，其最大干涉极限是根据毂与插入轴的直径比和材料而定。建议的最小干涉插入深度为插入轴直径的 2倍。

如果相关的设计图表并不存在，则可以针对插入轴直径 d与毂内径d1计算允许的干涉值。

图5-17 金属轴件压入塑料毂的最大干涉极限。此干涉图依照材料而异，其为最大

干涉百分比[(d-d1)/d×100%]相对于轴径比（D/d）。

SddWh

l  EWh

1s



Es

， 

W 

d1

Dd1

D

2

2

其中，

l = 径向干涉，d-d1，单位 mm。 Sd = 设计应力，单位 MPa。 D = 毂外缘直径，单位 mm。 d = 插入轴直径，单位 mm。

Eh = 毂之拉伸弹性模数，单位 MPa。 Es = 插入轴弹性模数，单位 MPa。 υh = 毂材料之浦松比。 υs = 插入轴材料之浦松比。

W = 几何因子。

设计压入配合连接，应检查于配合当中和配合后所累积的公差是否会造成过量的应力，而组合后的配合公差是否适当。此外，在金属轴与塑料毂之间不应该设计锥度之配合件，否则会造成过量的应力。

5-5-2 搭扣配合连接

搭扣配合连接(snap-fit Joints)由倒勾(undercut)结构取代干涉，应用塑料材料在比例极限内的变形能力进行连接，并且在完成组合后立即回复原始的形状。完成搭扣配合连接时，搭扣两边的配合件都不承受应力，而连接过程中的最大应力也不超过比例极限；完成连接之后，组件承受的负荷亦须在材料限度以内。

搭扣配合连接的设计包括：圆形搭扣、悬臂搭扣和扭曲式搭扣。

(1) 圆形搭扣连接

圆形搭扣连接(annular snap-fit joints)如图 5-18，根据插入轴直径和回复角的选定，圆形搭扣可以设计成可分离式、难分离式或不可分离式。

图5-18 典型的圆形搭扣配合连接。组装力 W与导角α、倒勾量 y有密切的关系。

塑料毂直径 d，肉厚 t。

图5-19假设刚性轴（通常是金属）插入或退出塑料毂，并将之撑开，此插入或退出的极限应力值σ不得超过塑料材料的比例极限，而且造成轴的变形量不得超过轴的允许变形量(或倒勾的允许变形量 y)。

图5-19 搭扣组合时的应力分布

最大之允许变形量决定于最大之允许应变ε

pm和毂径d。以下计算公式假设配合

件之一者是刚体，假如两个配合件有相同的挠性，则应变将减半，而倒勾可以两倍大。

y = εpm ×

d

假如模心形成干涉环(interference ring)，则倒勾必须具有平滑的半径和低浅的导角（lead angle），使退出时不会破损干涉环。于退出时，作用在干涉环的应力必须维持在材料的比例极限之内。

(2) 悬臂搭扣连接

悬臂搭扣连接(cantilever snap joints)是使用最广泛的搭扣连接方式。通常，将它插进孔内或闩板时，勾子会挠曲；当勾子通过孔缘后就回复原始形状。从悬臂顶端到根部应设计成锥度，使得作用应力能够均匀分布。组合应力不应超过材料的比例极限

悬臂搭扣的宽度或厚度都可以设计成斜度，如图5-18。假如将其厚度从根部线性地缩减，则勾顶厚度可以是根部厚度的一半。另外在根部勾侧加工靠破孔，可以简化模具的加工和动作，如图5-19所示。塑件与搭扣结合的根部应加工圆角以防止应力集中。

图5-18 典型之悬臂搭扣连接。勾子与孔缘之干涉量 y 代表其

于组装时应产生的挠曲量。

图5-19 悬臂搭扣之特征

(3) 扭曲搭扣连接

扭曲搭扣连接 (torsion snap-fit joints)在支点处承受一剪应力，它适合应用在经常组装和分解的组件。其总共的扭曲角与挠曲值或的关系为：

sin 

y1l1



y2l2

其中

φ = 扭转角度； y1, y2 = 挠曲量；

l1, l2 = 臂长(参阅图5-20)。

pm受限于允许的剪应变γpm，

允许的最大扭曲角φ 其中

φ

pm=



 pm

180





pm



lr

允许的最大扭曲角ψpm(度)；

γpm= 允许的剪应变；

l = 扭转臂长度；

r = 扭转轴半径。

pm大约等于：

塑料的允许最大剪应变γ

γγ

pm pm

= ( + υ)ε= 1.35ε

pm

pm

其中

γ

pm

= 允许之剪应变；

εpm = 允许之应变；

υ = 浦松比(塑料大约为0.35)。

5-5-3 固定组件

传统上使用的固定组件(fasteners)包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉，它们也可以应用于塑件，其应用上考虑的重点如下列：

过于紧迫的螺丝钉或铆钉可能导致应力。

螺丝钉之螺纹可以预先加工，或是上螺丝钉时再产生。

螺丝钉螺纹与头部之毛边、铆钉毛边等都可能造成应力，导致塑件提早

破坏。

(1) 螺丝钉和铆钉

塑件之模数低于200,000 psi时，可以使用成形螺纹螺丝钉(thread-forming screws)；模数高于200,000 psi时，则应使用切削螺纹螺丝钉，否则可能造成应力破裂。塑件上有需要多次上紧再卸下的螺丝钉，必须防止对塑件切出新螺纹，宜采用单螺纹的金属螺丝钉。螺帽必须再塑件表面以下时，可以使用埋头孔配合螺丝钉，使用平头螺丝钉(pan-head screws)可以加垫圈，螺丝钉和铆钉的垫圈在接触塑件面不可以有毛边或冲痕，否则会减低塑件寿命。必须永久固定的塑件应该采用铆钉。 图 5-20是不同尺寸的螺丝钉之建议孔径。

图5-20 塑件与螺丝钉组合之建议孔洞尺寸，此类应用应尽量采用平头螺丝钉。 埋头(countersunk screw head)和pipe thread螺丝钉容易上太紧而使塑件产生裂缝，应该避免使用。

(2) 一体成形螺纹

塑件之一体成形螺纹(molded threads)可以避免使用螺丝钉和铆钉等额外固定组件。一体成形螺纹的根部应该加设无螺纹之导距(lead-in diameter)，其比外径略大，大约一牙高度，可以增加强度。图5-21显示无螺纹导距的设计。一体成形螺纹设计导引如下：一体成形螺纹必须具有足够强度以承受负荷。太小的螺纹，特别是与金属螺丝钉配合的螺纹，容易变形而失去抓力。螺纹的设计应该避免尖锐的内径，甚至在螺纹顶端设计成圆形，以方便加工。假如成形螺纹的轴与分模线平行，可以将之分设在公、母两模成形，而为了避免因模具相错而产生明显的分模线，可以将一小部分螺纹车平。假如螺纹的轴不与分模线平行，就必须采用回转机构。内螺纹之射出通常需要以人工或模具动作回转模具组件。塑件之崩牙内螺纹可以在攻成更大

的内螺纹。

图5-21 一体成形螺纹的设计建议

(3) 镶埋件

镶埋件(inserts)是预先插入模穴内，于射出成形后与塑件结合成一体。镶埋件可以采用任何不会熔化的材料。金属镶埋件可以用来导电，增强塑件，提供组合用之螺纹。塑料镶埋件可以提供不同颜色或不同性质的搭配组合。采用镶埋件时，设置浇口的位置应该注意到使镶埋件两侧维持相同的融胶波前之作用力，以免造成镶埋件移位。最好设计使熔胶在镶埋件两侧有适当的流动路径，使熔胶以相同的速率前进。模具上也可以设计支撑镶埋件的结构，例如孔洞或柱桩。

通常，镶埋件会造成缝合线，设计镶埋件应该容许产生缝合线或是在镶埋件周围的凸毂之一边发生收缩应力。

5-5-4 熔接制程

超音波熔接(ultrasonic welding)使用高频声波振动，使两个塑件相对滑动，此二表面的短行程高速往复滑动使界面熔化。停止振动后，接口冷却，使得两塑件表面结合。

超音波熔接应注意到两种材料的兼容性。表面的接点设计对于熔接的成功与

否影响很大，应在一熔接面设计一小三角形的能量导引，请参阅图5-22。在接点设计成轴对称结构，于熔化后，使两种材料熔接在一起。传送能量的超音波喇叭对于熔接成败的影响很大。

图5-22 超音波熔接之小三角形的能量导引

其它的熔接方式必须使用人力，目前不太实用，仍有待研究。